Superconduttori porosi stampati in 3D: il metodo “one-pot” di Cornell che permette di regolare le proprietà elettroniche
Che cosa hanno fatto i ricercatori
Un team della Cornell University, guidato dal prof. Ulrich B. Wiesner (Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali), ha messo a punto una via “one-pot” di stampa 3D per realizzare ossidi e nitruri di metalli di transizione con porosità ordinata su più scale (nanometrica, microscopica e macroscopica). L’approccio integra self-assembly di copolimeri a blocchi nella fase di formulazione dell’inchiostro e consente di ottenere superconduttori porosi con comportamenti insoliti, inclusi valori elevati di campo magnetico critico superiore. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications ed evidenziati anche dal Cornell Chronicle.
Chi è coinvolto
Oltre a Cornell University, hanno contribuito Boston University, Brookhaven National Laboratory, Université Grenoble Alpes e National Institute of Standards and Technology (NIST), a conferma del taglio multidisciplinare e della robustezza sperimentale del lavoro.
Come funziona il processo “one-pot”
L’inchiostro è costituito da copolimeri a blocchi della famiglia Pluronic (es. F127, P123) mescolati con precursori sol-gel (alcossidi metallici) dei metalli di transizione. La Direct Ink Writing (DIW) avviene in bagno di coagulazione (es. esano) per irrobustire il filamento in uscita, evitando il collasso delle geometrie durante la deposizione; per le strutture elicoidali si usa “embedded printing” in gel di Pluronic al 25%. Segue una calcinazione in aria (es. 450–550 °C) che genera l’ossido mesoporoso e, successivamente, trattamenti termici in ammoniaca e in gas carburizzante (fino a ~950 °C) che convertono l’ossido in nitruro mantenendo l’ordinamento mesoporoso.
Numeri chiave e proprietà ottenute
I campioni di niobio (ossidi/nitruri) e titanio (nitruri) mostrano tre livelli di ordine: reticolo cristallino (atomico), mesoporosità ~4 nm diretta dal copolimero e architetture 3D (es. woodpile, eliche) definite in stampa. Le superfici specifiche raggiungono valori record per superconduttori composti (ordine ~298 m²/g per gli ossidi e ~129 m²/g per i nitruri, misurazioni BET). Per NbN-type il campo magnetico critico superiore B_c2(0), estrapolato da misure magneto-trasportistiche, raggiunge ~40 T e può arrivare ~50 T tramite assottigliamento delle pareti per ossidazione controllata; per TiN si riportano fino a ~8,1 T in condizioni non ancora ottimizzate.
Perché la porosità “guidata” dal copolimero è decisiva
La porosità ordinata è “impressa” dai copolimeri a blocchi: variando la massa molare del blocco PEO si modula lo spessore delle pareti del reticolo mesoporoso, che a sua volta influisce sulla coerenza elettronica. La confinazione nei sottili setti nanometrici può ridurre la lunghezza di coerenza di Ginzburg-Landau e alzare B_c2, consentendo di mappare una proprietà superconduttiva su un parametro macromolecolare del copolimero. Questo legame progettuale apre spazi di ingegnerizzazione “a ricetta” delle proprietà.
Esempi di forme e stabilità delle geometrie
Il gruppo ha dimostrato woodpile 3D da 7×7×7 mm³ e eliche autoportanti/non autoportanti; la sequenza termica e l’uso del bagno di coagulazione preservano le forme senza cedimenti, con ritiro isotropo controllato nella conversione ossido→nitruro e conservazione dell’ordine mesoscopico (SAXS/SEM).
Confronto con altri filoni sulla stampa 3D di superconduttori
In parallelo, Northwestern University e Fermilab hanno mostrato una via in due stadi per ottenere YBCO monocristallino: stampa di strutture policristalline seguita da crescita “top-seeded melt” per ricristallizzare in monocristallo con forti aumenti di corrente critica. Le due strade sono complementari: quella Cornell enfatizza porosità gerarchica e tuning di B_c2 via self-assembly; quella Northwestern mira a microstruttura monocristallina in geometrie complesse. mccormick.northwestern.eduNature
Applicazioni possibili
L’elevata superficie specifica e la porosità controllata interessano catalisi e sensori; la possibilità di regolare B_c2 e la forma 3D rende la piattaforma rilevante per magneti superconduttori, microelettronica e componenti RF/microwave dove NbN e TiN sono già materiali di riferimento. La scalabilità suggerita dall’uso di copolimeri commerciali, precursori accessibili e stampanti DIW standard lascia prevedere un trasferimento relativamente agevole in laboratorio avanzato.
Limiti attuali e prossimi passi dichiarati dal team
Le misure su TiN sono dichiarate non ottimizzate; l’effetto dell’invecchiamento all’aria (ossidazione superficiale) sullo spessore delle pareti, pur utile ad aumentare B_c2, richiede controllo fine in vista di affidabilità a lungo termine. Le sequenze termiche (aria → NH₃ → gas carburizzante) e l’analisi composizionale (XPS) indicano la formazione di ossicarbonitruri di Nb; la padronanza di ossigeno e carbonio residui sarà centrale per stabilità e riproducibilità.
Inquadramento nella letteratura sui copolimeri a blocchi
L’uso dei block copolymer come “impalcature morbide” per creare porosità ordinata è consolidato in diversi ambiti (es. porous carbons per elettrochimica; panoramiche su copolimeri e 3D/4D printing). L’originalità qui sta nell’integrazione diretta in stampa di auto-assemblaggio, sol-gel e conversione in nitruro, con ordine su tre scale nella stessa parte stampata.
